现代气动技术理论与实践第二讲:固定容腔的充放气

0前言在气动系统中,将压缩空气充入气罐、元器件内部容积固定或变化的容腔,然后再排放到大气中的过程随处可见。气动系统中应用最为广泛的气缸的运动实际上就是对活塞两侧容腔进行充放气过程的结果。活塞启动之前,两侧容腔容积不变,是固定容腔的充放气;活塞运动时,两侧容腔容积     

气动系统充放气过程中气体状态多变指数的简化与确定

以较大容积的容器和较小管长的气管组成的气动系统的充放气过程为研究模型,提出分段处理多变指数的研究方法和结果。研究表明,气动系统充放气过程的多变指数可以采用根据压力的变化关系分两段处理、且在每一个阶段上用不变的近似值来计算的方法,以提供更加接近于实际系统中的参数。第一阶段为压力从初始压力达到预定压力的0.99倍(充气过程)或1.01倍(放气过程)的阶段、其多变指数为1.0～1.4之间的某一常数;第二阶段为等压过程、多变指数为0。和目前的处理方法相比,既考虑了传热对系统的影响(和按绝热过程处理相比),也考虑了多变指数的变化(和按等温过程处理相比),为正确选择和处理多变指数提供新的方法,系统地了解气动系统充放气过程中气体状态的变化,研究有关物理现象提供理论基础。     

气动系统中微小水滴的沉积

文章利用气悬浮体理论的知识，揭示了在气动充放气系统放气过程中凝结出来的水滴滞留在系统中的机理，提出了这些水滴的沉积方式，并给出了计算方法及各参数对沉积量的影响程度。文章的研究为气动系统结露现象的内部结露研究提供了理论依据。     

气动技术研究团队

正项目名称:气动技术基础理论研究研究内容:本研究方向主要包括气动系统结露现象的产生机理及防结露气动系统设计方法的研究、气缸摩擦机理及其抑制方法的研究和高真空元件流量特性的研究。1)气动系统的结露。由于充放气过程中气体温度的变化引起气动系统内外水分的析出与累积,产生内部结露和外部结露现象,危害系统的安全运行。通过实验分析、流场分析等手段,得到了气动系统发生内部和外     

高速气缸缓冲稳定阶段运动特性

缓冲是研制高速气缸要解决的关键问题。在研究高速气缸缓冲的过程中发现活塞进入稳定阶段速度会发生剧烈反弹,分析活塞速度在稳定阶段反弹的主要原因,设计由带有固定容腔的压力反馈式缓冲阀、溢流阀和排气阀组成的缓冲系统并对其进行仿真及试验研究。结果表明,此缓冲系统有效地控制了稳定阶段活塞速度反弹,并对活塞速度变化有足够的自适应能力。     

气动人工肌肉特性分析的新方法

基于对气动人工肌肉静态特性的分析，提出了将气动人工肌肉视为变截面积气缸的新的分析方法，运用该方法推导出了气动人工肌肉的动力学数学模型。并对气动人工肌肉的充放气过程进行了计算机仿真分析，该分析方法简单方便，为气动人工股肉的深入分析和实现高精度控制建立了基础。     

基于气动高速开关阀的容腔压力精确控制

容腔压力控制在气动系统中的应用十分普遍,在汽车制动控制中普遍使用比例调压阀实现制动气室内压力的精确调节。将高速开关阀应用于压力控制系统代替比例阀,对于降低生产成本具有重要的意义。介绍了基于高速开关阀的单阀PID容腔压力控制策略和双阀自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control, ADRC)容腔压力控制策略。双阀ADRC控制策略通过将充放气过程中气体的温度变化、容腔内气体泄漏等各种模型不确定性以及内外界干扰视为一个总干扰项,利用扩张状态观测器对总干扰项进行估计并在非线性控制器的设计中进行补偿。结果表明：这两种策略均可以实现容腔内压力精确控制,使用双阀ADRC压力控制策略的控制精度更高。     

基于容积补偿泄漏检测系统及其充放气方法的研究

该文是以容积补偿泄漏检测系统为平台进行研究,通过实验得出不同充放气参数下,充放气过程中的温度变化曲线,并分析不同检测压力下的最佳充放气方式和充气时间,从而在保证系统的检测精度前提下,缩短系统的检测时间,提高系统泄漏检测的效率。     

带有迟滞非线性的气动运动模拟平台自抗扰轨迹跟踪控制

针对带有迟滞非线性的气动运动模拟平台的轨迹跟踪提出了带有切换扩张状态观测器的自抗扰控制方法。气动运动模拟平台的迟滞非线性特性主要指气动人工肌肉在正向充气反向放气时长度和拉力曲线的差异。针对此特性设计了切换扩张状态观测器来估计和补偿模型非线性,分别对于气动人工肌肉正反向充放气的不同模型采用不同的观测器增益,以提高状态估计效果,减小跟踪误差。进一步,设计了状态误差反馈控制器,得到了基于切换扩张状态观测器的二阶非线性动态系统全局有界稳定的充分条件。最后实验结果证实了所设计的切换扩张状态观测器的实际效果。     

气动汽车高压气体减压过程的能量分析与动力特性研究

对气动汽车动力系统的能量控制和利用方法进行研究。分析了气动汽车动力源与气动发动机之间的高压气体减压控制过程及气动系统能量变化的特性；提出并明确了容积减压概念；得出了描述减压过程中可用能的数学表达式，指出减压控制环节中采用容积减压方法，能够更多地保持和利用高压气体能量，可以提高气动汽车动力系统的能量利用效率。指出合适的气动发动机气缸膨胀比是保证气动发动机高效做功的重要条件；分析了对气动汽车行驶距离产生影响的主要动力学因素。     

气路闭环空气悬架系统能量损耗建模及分析

研究了高低压腔气路闭环空气悬架系统充放气过程中的能耗问题。基于热力学和车辆动力学理论建立了气路闭环空气悬架充放气模型并在Simulink中仿真,通过1/2车对空气弹簧进行充放气实验,实验结果验证了所建立的充放气模型的正确性。为分析研究闭环系统能量损耗途径,采用压缩气体有效能(即压缩气体对外界大气所做的功)对系统充气、放气、升压三个过程的能量损耗进行量化计算。仿真结果表明：充气过程中能耗随高压腔压力升高而变大;放气与升压过程中的能耗都随低压腔压力升高而降低;在同等条件下,高低压腔气路闭环系统相对开环系统可以节约大量的能量。     

气动充放气系统外部结露机理及试验研究

以典型气动充放气系统为研究对象对外部结露进行研究,分析外部结露的发生机理并提出判别方法,当元件表面平衡温度低于环境露点温度时,结露就会发生,反之则不发生.在恒温恒湿环境中进行负载举升的充放气试验,对元件表面温度进行测量,并对外部结露的发生部位、结露过程进行观测和分析.试验表明,有杆腔侧元件表面温度降低并出现结露,无杆腔侧元件温度升高无结露出现;外部结露在开始阶段是细小的珠状凝结并不断长大,最后形成膜状凝结,并在重力作用下形成水滴沿壁面流下.对影响结露的因素进行研究.在各种因素中,环境湿度越大、负载越大及充放气周期越短,结露越严重.结露一般会在若干分钟内就会出现,应该采取必要的防护措施,以避免外部结露的发生.     

气动系统元件结构参数对系统结露的影响的研究

气动系统的结露严重影响系统的性能和寿命,正确判别和预防系统的结露是工程实际面临的难题。气动系统的结露和很多因素有关,至今为止没有完善的、简便的判别方法。对1000多种由不同容积的容器和管路组成的气动系统进行了试验研究,提出元件结构参数中影响气动系统结露的主要参数为容器容积V、放气管过流面积A和长度l。引进放气管量纲一的体积和容器出口处量纲一的有效过流面积,对试验结果进行研究的结果表明,放气管量纲一的体积可作为系统是否发生结露和发生何种结露的判据,十分简便易用。以量纲一的体积为横轴,外部结露系统、不结露系统和内部结露系统从左到右依次排列。外部结露区、不结露区和内部结露区的临界点数值与运行条件有关,而与气动元件结构参数无关。     

气动肌肉驱动人工关节的建模研究

由气动肌肉驱动的人工关节具有重量轻、柔顺性好等特点。在关节建模中,首先需要解决气动肌肉实际特性和理论模型之间的差别,为此引入了力-压力系数和刚度系数,从而建立了实际特性和理论模型之间的联系。其次,在建模过程中为简化模型而忽略气体的流动过程及压缩性会使得理论模型的动态响应比实际模型要差。为此,考虑气动肌肉的充放气过程,建立了关节更准确的动态模型。最后,通过实验对模型进行了验证。     

气压阀控缸系统动态特性的研究

在气压伺服系统控制中,高压空气的可压缩性和伺服阀的死区与饱和特性使气压系统本身存在非线性。另外气缸活塞在不同位置时气缸两腔容积变化非常大,容腔内压力建立时间长短是不同的。这些对系统性能的提高是个障碍。因此建立一个简单、易用、可信的线性模型对气压系统设计来说是首要任务。首先将气缸固定在不同位置,采用阶跃信号辨识气缸两腔压力与阀芯位移的传递函数,获得气缸位置对压力的影响;然后在气缸运动情况下,辨识气缸压力对阀位移、气缸速度的传递函数。最后获得一个描述气压系统的线性模型。与采用工作点线性化方法获得的模型比较这种近似是合理可信的。     

现代气动技术理论与实践第三讲:管路内的气体流动

0前言在气动系统中,管路将各种元器件连接成一个系统,将压缩空气从压缩机输送到终端用气设备以传递动力。这样的管路在本质上有别于一般的气动元器件,与可用集中参数描述的电磁阀、气缸、储气罐等不同,必须用分布参数来描述其特性和进行建模仿真。管路的存在使气动系统的整体特性变得复杂,特别是对动特性的影响很大[1]。     

双联式燃油泵的结构设计及其实验研究

该文介绍了双联式燃油泵的结构特征,提出了活塞与传动轴一体化设计的双活塞结构,即活塞既可改变容腔容积又能传递动力。详细阐述了双联式燃油泵的工作原理,并对样机进行了流量特性试验,得到了空载和负载流量特性曲线以及特定转速压力下的流量变化曲线。验证了双联式燃油泵的容积效率变化情况,并在特定条件下得到其容积效率曲线。     

复合材料气瓶充放气过程仿真与验证

本文阐述了复合材料气瓶充放气过程的热力学基础,利用系统仿真软件AMESim,构建了基于实际物理过程的复合材料气瓶充放气仿真模型,并对充放气过程中的内、外侧换热及瓶壁间导热进行了数值模拟,分析了复合材料气瓶充放气过程中的压力、温度特性。通过与复合材料气瓶充放气试验数据的对比分析,验证了本文所提出的实际充放气仿真模型的有效性,并且对于不同介质、不同充放气工况具有良好的适用性。     

余隙容积对微型高压压缩机容积效率的影响

余隙容积的合理设计是保证压缩机正常工作的必备条件。相较于传统的高压压缩机，微型高压压缩机体积小、结构紧凑，活塞行程短且高压级活塞的直径较小，因而其工作性能对余隙容积更为敏感。为研究余隙容积对微型高压压缩机各级工作腔容积效率的影响，在微型高压压缩机关键结构参数和压力参数的基础上，结合能量和质量守恒定律、气阀运动以及活塞运动规律，搭建了工作腔热力学仿真模型。分析不同余隙容积下各级工作腔内气体压力、质量的瞬态变化过程，得出各级工作腔内容积效率的变化规律，从而为微型高压压缩机缸体和气阀关键结构参数的设计和优化提供指导意义。     

气动伺服系统的速度特性分析

介绍了用于实验中的位移传感器的基本原理,并通过计算机控制,实现了气动伺服系统的连续运动.根据对活塞运动的分析,得出气动伺服系统重要的速度特性.